JP6380156B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、２組の巻線組を備えるモータの電力を変換する電力変換装置が知られている。例えば、特許文献１では、発熱を分散させるべく、２組の巻線組に対応して２つのインバータ部が設けられ、それぞれのインバータ部の駆動に係るデューティ指令信号のシフト方向を所定期間ごとに入れ替えている。

特開２０１１−１８８６７４号公報

特許文献１のように、デューティ指令信号のシフト方向を入れ替えると、入れ替えに伴ってトルクリップルや、振動、音が発生する虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルクや電流のリップルを低減可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、第１巻線組および第２巻線組を有する回転電機の電力を変換するものであって、第１インバータ部と、第２インバータ部と、制御部と、を備える。
第１インバータ部は、第１巻線組の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子を有する。
第２インバータ部は、第２巻線組の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子を有する。
制御部は、指令演算手段を有する。指令演算手段は、第１巻線組に印加される電圧に係る第１電圧指令値、および、第２巻線組に印加される電圧に係る第２電圧指令値を演算する。

第１巻線組に印加される第１中性点電圧が出力可能な中心値である出力中心値より下側にシフトされ、第２巻線組に印加される第２中性点電圧が出力中心値より上側にシフトされる期間を第１期間とする。
第１中性点電圧が出力中心値より上側にシフトされ、第２中性点電圧が出力中心値より下側にシフトされる期間を第２期間とする。
指令演算手段は、回転電機の回転速度に基づいて可変演算される切替期間が経過したとき、第１期間と第２期間とが切り替わるように第１電圧指令値および第２電圧指令値を演算する。

本発明では、第１中性点電圧が出力中心値よりも下側にシフトされ、第２中性点電圧が出力中心値よりも上側にシフトされている状態と、第１中性点電圧が出力中心値よりも上側にシフトされ、第２中性点電圧が出力中心値よりも下側にシフトされている状態とを切り替える。これにより、スイッチング素子間の発熱の偏りを低減することができる。
また、回転電機の回転速度に基づき、切替期間を可変としている。これにより、第１期間と第２期間との切り替えに伴う振動および音の発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態による電動パワーステアリング装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態による電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による指令演算処理を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態による回転速度と切替期間との関係を示す説明図である。 本発明の第２実施形態による回転速度と切替期間との関係を示すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態による電流と切替期間との関係を示す説明図である。 本発明の第４実施形態による電圧と切替期間との関係を示す説明図である。 本発明の第５実施形態によるトルクと切替期間との関係を示す説明図である。 本発明の第６実施形態によるインバータ温度と切替期間との関係を示す説明図である。 本発明の第７実施形態による共振周波数と切替時間との関係を示す説明図である。 本発明の第８実施形態による回転速度と切替時間との関係を示す説明図である。

以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。なお、以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電力変換装置を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態の電力変換装置１は、回転電機としてのモータ１０とともに、図示しない車両に搭載され、運転者によるステアリング操作を補助するための電動パワーステアリング装置５に適用される。
図１は、電動パワーステアリング装置５を備えるステアリングシステム９０の全体構成を示すものである。ステアリングシステム９０は、ハンドル（ステアリングホイール）９１、ステアリングシャフト９２、ピニオンギア９６、ラック軸９７、車輪９８、および、電動パワーステアリング装置５等から構成される。

ハンドル９１は、ステアリングシャフト９２と接続される。ステアリングシャフト９２には、運転者がハンドル９１を操作することにより入力される操舵トルクを検出するトルクセンサ９４が設けられる。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられ、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪９８が連結される。

これにより、運転者がハンドル９１を回転させると、ハンドル９１に接続されたステアリングシャフト９２が回転する。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、ラック軸９７の変位量に応じた角度に一対の車輪９８が操舵される。

電動パワーステアリング装置５は、運転者によるハンドル９１の操舵を補助する補助トルクを出力するモータ１０、当該モータ１０の駆動制御に用いられる電力変換装置１、モータ１０の回転を減速してステアリングシャフト９２またはラック軸９７に伝える減速ギア９等を備える。
モータ１０は、直流電源としてのバッテリ３０（図２参照）から電力が供給されることにより駆動し、減速ギア９を正逆回転させる。

図２に示すように、モータ１０は、３相ブラシレスモータであって、いずれも図示しないロータおよびステータを有する。ロータは、円筒状の部材であり、その表面に永久磁石が貼り付けられ、磁極を有する。ステータには、巻線組１１、１２が巻回される。
第１巻線組１１は、Ｕ１コイル１１１、Ｖ１コイル１１２、および、Ｗ１コイル１１３から構成される。第２巻線組１２は、Ｕ２コイル１２１、Ｖ２コイル１２２、および、Ｗ２コイル１２３から構成される。

電力変換装置１は、第１インバータ部２１、第２インバータ部２２、第１電流検出部２６、第２電流検出部２７、回転角センサ２９、第１電源リレー３１、第２電源リレー３２、第１コンデンサ３３、第２コンデンサ３４、駆動回路（プリドライバ）３５、および、制御部４０等を備える。

第１インバータ部２１は、６つの第１スイッチング素子（以下、「ＳＷ素子」と記載する。）２１１〜２１６を有し、第１巻線組１１のコイル１１１、１１２、１１３への通電を切り替える。
高電位側に設けられる高電位側ＳＷ素子２１１、２１２、２１３のドレインは、第１上側母線２１８を経由してバッテリ３０の正極側と接続される。高電位側ＳＷ素子２１１、２１２、２１３のソースは、低電位側に設けられる低電位側ＳＷ素子２１４、２１５、２１６のドレインと接続される。低電位側ＳＷ素子２１４、２１５、２１６のソースは、第１下側母線２１９を経由してバッテリ３０の負極側と接続される。高電位側ＳＷ素子２１１、２１２、２１３と低電位側ＳＷ素子２１４、２１５、２１６との接続点は、それぞれ、Ｕ１コイル１１１、Ｖ１コイル１１２、Ｗ１コイル１１３の一端と接続される。

第２インバータ部２２は、６つの第２ＳＷ素子２２１〜２２６を有し、第２巻線組１２のコイル１２１、１２２、１２３への通電を切り替える。
高電位側ＳＷ素子２２１、２２２、２２３のドレインは、第２上側母線２２８を経由してバッテリ３０の正極側に接続される。高電位側ＳＷ素子２２１、２２２、２２３のソースは、低電位側ＳＷ素子２２４、２２５、２２６のドレインと接続される。低電位側ＳＷ素子２２４、２２５、２２６のソースは、第２下側母線２２９を経由してバッテリ３０の負極側と接続される。高電位側ＳＷ素子２２１、２２２、２２３と低電位側ＳＷ素子２２４、２２５、２２６との接続点は、それぞれ、Ｕ２コイル１２１、Ｖ２コイル１２２、Ｗ２コイル１２３の一端と接続される。
本実施形態のＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６は、いずれもＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物絶縁効果トランジスタ）であるが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やサイリスタ等としてもよい。

第１電流検出部２６は、電流検出素子２６１、２６２、２６３から構成される。電流検出素子２６１は、ＳＷ素子２１４の低電位側に設けられ、Ｕ１コイル１１１に通電される電流を検出する。電流検出素子２６２は、ＳＷ素子２１５の低電位側に設けられ、Ｖ１コイル１１２に通電される電流を検出する。電流検出素子２６３は、ＳＷ素子２１６の低電位側に設けられ、Ｗ１コイル１１３に通電される電流を検出する。第１電流検出部２６により検出される第１巻線組１１の各相に通電される電流に係る電流検出値を、第１電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１とする。

第２電流検出部２７は、電流検出素子２７１、２７２、２７３から構成される。電流検出素子２７１は、ＳＷ素子２２４の低電位側に設けられ、Ｕ２コイル１２１に通電される電流を検出する。電流検出素子２７２は、ＳＷ素子２２５の低電位側に設けられ、Ｖ２コイル１２２に通電される電流を検出する。電流検出素子２７３は、ＳＷ素子２２６の低電位側に設けられ、Ｗ２コイル１２３に通電される電流を検出する。第２電流検出部２７により検出される第２巻線組１２の各相に通電される電流に係る電流検出値を、第２電流検出値Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２とする。
本実施形態の電流検出素子２６１〜２６３、２７１〜２７３は、シャント抵抗である。
回転角センサ２９は、モータ１０の回転角を検出する。回転角センサ２９により検出されたモータ１０の電気角θは、制御部４０へ出力される。

第１電源リレー３１は、バッテリ３０から第１インバータ部２１への電力供給を遮断可能である。第２電源リレー３２は、バッテリ３０から第２インバータ部２２への電力供給を遮断可能である。電源リレー３１、３２は、ＳＷ素子２１１等と同様のＭＯＳＦＥＴであるが、ＩＧＢＴやメカリレー等としてもよい。また、電源リレー３１、３２をＭＯＳＦＥＴ等とする場合、バッテリ３０が誤って逆向きに接続された場合にダイオードを経由して逆向きの電流が流れるのを防ぐべく、ダイオードの向きが反対向きとなるように電源リレー３１、３２と直列に接続される図示しない逆接保護リレーを設けることが好ましい。

第１コンデンサ３３は、バッテリ３０および第１インバータ部２１と並列に接続される。第２コンデンサ３４は、バッテリ３０および第２インバータ部２２と並列に接続される。コンデンサ３３、３４は、電荷を蓄えることで、インバータ部２１、２２への電力供給を補助したり、サージ電流などのノイズ成分を抑制したりする。

本実施形態では、第１巻線組１１、ならびに、第１巻線組１１の通電制御に係る第１インバータ部２１、第１電流検出部２６、第１電源リレー３１、および、第１コンデンサ３３を「第１系統１０１」とし、第２巻線組１２、ならびに、第２巻線組１２の通電制御に係る第２インバータ部２２、第２電流検出部２７、第２電源リレー３２、および、第２コンデンサ３４を「第２系統１０２」とする。以下適宜、第１系統１０１の制御に係る値に添え字として「１」を付し、第２系統１０２の制御に係る値に添え字として「２」を付す。

制御部４０は、電力変換装置１全体の制御を司るものであり、各種演算を実行するマイクロコンピュータ等により構成される。制御部４０における各処理は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
制御部４０は、トルクセンサ９４から取得される操舵トルク、および、回転角センサ２９から取得される電気角θ等に基づき、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６のオンオフを制御する制御信号を生成する。生成された制御信号は、駆動回路（プリドライバ）３５を経由して、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６のゲートに出力される。

図３に示すように、制御部４０は、第１系統１０１の制御に係る第１指令演算部４１、および、第２系統１０２の制御に係る第２指令演算部４２を有する。以下、４１０番台として付番する第１指令演算部４１の機能ブロックと、４２０番台として付番する第２指令演算部４２の機能ブロックとは、下１桁が同じである場合、実質的に同様の機能ブロックであるので、以下、第１指令演算部４１を中心に説明する。

第１指令演算部４１は、３相２相変換部４１０、減算器４１１、４１２、制御器４１３、２相３相変換部４１４、および、デューティ演算部４１５を有する。
３相２相変換部４１０は、第１電流検出部２６により検出され、オフセット誤差およびゲイン誤差等が補正された電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１を、電気角θに基づいてｄｑ変換し、ｄ軸電流検出値Ｉｄ１、および、ｑ軸電流検出値Ｉｑ１を演算する。
ｄ軸減算器４１１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^*１とｄ軸電流検出値Ｉｄ１との偏差であるｄ軸電流偏差ΔＩｄ１を演算する。
ｑ軸減算器４１２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１とｑ軸電流検出値Ｉｑ１との偏差であるｑ軸電流偏差ΔＩｑ１を演算する。

制御器４１３は、電流偏差ΔＩｄ１、ΔＩｑ１が０に収束するように、ＰＩ演算等により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*１およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*１を演算する。
２相３相変換部４１４は、電気角θに基づき、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*１およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*１を逆ｄｑ変換し、電圧指令値Ｖｕ^*１、Ｖｖ^*１、Ｖｗ^*１を演算する。
デューティ演算部４１５は、電圧指令値Ｖｕ^*１、Ｖｖ^*１、Ｖｗ^*１に基づき、デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１を演算する。また、第２指令演算部４２のデューティ演算部４２５は、電圧指令値Ｖｕ^*２、Ｖｖ^*２、Ｖｗ^*２に基づき、デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２を演算する。

以下、第１インバータ部２１の制御に係る指令である第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、および、第２インバータ部２２の制御に係る指令である第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２の演算について詳述する。
本実施形態では、第１巻線組１１に印加される印加電圧Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１の中性点電圧である第１中性点電圧Ｖｎ１、または、第２巻線組１２に印加される印加電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２の中性点電圧である第２中性点電圧Ｖｎ２の一方が、出力可能な電圧範囲の中心値である出力中心値ＶＭよりも上側、他方が下側となるように、デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２が演算される。
本実施形態では、第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭより下側にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭより上側にシフトされる期間を第１期間Ｐ１とし、第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭより上側にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭより下側にシフトされる期間を第２期間Ｐ２とする。

デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２は、電流検出部２６、２７にて電流検出に要する時間等を考慮して、所定の範囲内となるように演算される。本実施形態では、デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２の下限値ＤＬを４［％］とし、上限値ＤＨを９３［％］とする。また、出力中心値ＶＭのデューティ換算値を出力中心デューティＤＭとする。出力中心デューティＤＭは、５０［％］である。

第１中性点電圧Ｖｎ１または第２中性点電圧Ｖｎ２の一方を出力中心値ＶＭの上側、他方を下側とすることにより、第１インバータ部２１においてゼロ電圧ベクトルおよび有効電圧ベクトルが発生するタイミングと、第２インバータ部２２においてゼロ電圧ベクトルおよび有効電圧ベクトルが発生するタイミングとがずれる。これにより、コンデンサ３３、３４のリップル電流を低減することができる。

第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭの下側にシフトされている場合、第１インバータ部２１において、高電位側ＳＷ素子２１１〜２１３がオンされる時間よりも、低電位側ＳＷ素子２１４〜２１６がオンされる時間が長くなる。同様に、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭの下側にシフトされている場合、第２インバータ部２２において、高電位側ＳＷ素子２２１〜２２３がオンされる時間よりも、低電位側ＳＷ素子２２４〜２２６がオンされる時間が長くなる。

第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭの上側にシフトされている場合、第１インバータ部２１において、低電位側ＳＷ素子２１４〜２１６がオンされる時間よりも、高電位側ＳＷ素子２１１〜２１３がオンされる時間が長くなる。同様に、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭの上側にシフトされている場合、第２インバータ部２２において、低電位側ＳＷ素子２２４〜２２６がオンされる時間よりも、高電位側ＳＷ素子２２１〜２２３がオンされる時間が長くなる。

そのため、本実施形態では、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６のうちの一部が過熱することを防ぐべく、第１中性点電圧Ｖｎ１が下方向にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が上方向にシフトされる状態と、第１中性点電圧Ｖｎ１が上方向にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が下方向にシフトされる状態と、を適宜切り替える。これにより、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６の発熱が分散される。

ところで、モータ１０の回転速度が小さい場合、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６において、オンされている時間とオフされている時間の偏りが生じやすく、素子間の温度差が大きくなりやすい。一方、モータ１０の回転速度が大きい場合、オンされている時間とオフされている時間の偏りが生じにくい。
そこで本実施形態では、モータ１０の回転速度に基づき、切替期間Ｐｃを可変にしている。なお、モータ１０の回転速度は、単位ｒｐｍ等で表される、いわゆる回転数であってもよいし、回転角速度等であってもよい。

本実施形態の指令演算処理を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。図４の処理は、デューティ演算部４１５にて、所定の間隔にて実行される。なお、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２の演算についは、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１の演算と同様であるので説明を省略する。

最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。）では、電圧指令値Ｖｕ^*１、Ｖｖ^*１、Ｖｗ^*１をデューティ変換したシフト前デューティ指令値Ｄｕ１＿ｂ、Ｄｖ１＿ｂ、Ｄｗ１＿ｂのうち、最も大きい値をＤ１＿ｍａｘ、最も小さい値をＤ１＿ｍｉｎとする。

Ｓ１０２では、モータ１０の回転速度に基づき、切替期間Ｐｃを演算する。切替期間Ｐｃは、図５に示すように、モータ１０の回転速度が小さいほど短く、回転速度が大きくなるほど長くなるように演算される。
Ｓ１０３では、シフト方向を入れ替えてからの経過時間をカウントするカウンタのカウント値が、Ｓ１０２で演算された切替期間Ｐｃに基づいて設定されるカウント判定値Ｃｔｈより大きいか否かを判断する。カウント値Ｃｎｔがカウント判定値Ｃｔｈ以下であると判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、すなわちシフト方向を入れ替えてから切替期間Ｐｃが経過していない場合、Ｓ１０６へ移行する。このとき、シフトフラグは前回値が維持される。カウント値Ｃｎｔがカウント判定値Ｃｔｈより大きいと判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、すなわちシフト方向を入れ替えてから切替期間Ｐｃが経過した場合、Ｓ１０４へ移行する。

Ｓ１０４では、シフトフラグを変更する。具体的には、シフトフラグの前回値が「上シフト」であった場合、「下シフト」に変更する。また、シフトフラグの前回値が「下シフト」であった場合、「上シフト」に変更する。
Ｓ１０５では、カウント値Ｃｎｔを初期化する。
Ｓ１０６では、カウント値Ｃｎｔをカウントアップする。

Ｓ１０７では、シフトフラグが下シフトであるか否かを判断する。シフトフラグが下シフトではないと判断された場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、すなわち、シフトフラグが上シフトである場合、Ｓ１１１へ移行する。シフトフラグが下シフトであると判断された場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、Ｓ１０８へ移行する。

Ｓ１０８では、シフト量Ｓｆｔを演算する。シフト量Ｓｆｔは、現在の振幅での中性点電圧Ｖｎ１のデューティ換算値Ｄｎ１と出力中心デューティＤＭとの差分であり、式（１）で表される。
Ｓｆｔ＝｜Ｄｎ１−ＤＭ｜ ・・・（１）
Ｓ１０９では、シフト量Ｓｆｔを制限する。シフト量Ｓｆｔの上限値を０とする。また、シフト量Ｓｆｔの下限値は、式（２）により規定される。
Ｄ１＿ｍｉｎ−Ｓｆｔ≧ＤＬ
Ｓｆｔ≦Ｄ１＿ｍｉｎ−ＤＬ
Ｓｆｔ≦Ｄ１−ｍｉｎ−４ ・・・（２）

Ｓ１１０では、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１を演算する。第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１は、式（３−１）〜（３−３）で表される。
Ｄｕ＝Ｄｕ１＿ｂ−Ｓｆｔ ・・・（３−１）
Ｄｖ＝Ｄｖ１＿ｂ−Ｓｆｔ ・・・（３−２）
Ｄｗ＝Ｄｗ１＿ｂ−Ｓｆｔ ・・・（３−３）

シフトフラグが上シフトである場合（Ｓ１０７：ＮＯ）に移行するＳ１１１では、Ｓ１０８と同様、式（１）によりシフト量Ｓｆｔを演算する。
Ｓ１１２では、シフト量Ｓｆｔを制限する。シフト量Ｓｆｔの下限値を０とする。また、シフト量Ｓｆｔの上限値は、式（４）により規定される。
Ｄ１＿ｍａｘ＋Ｓｆｔ≦ＤＨ
Ｓｆｔ≦ＤＨ−Ｄ１＿ｍａｘ
Ｓｆｔ≦９３−Ｄ１＿ｍａｘ ・・・（４）

Ｓ１１３では、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１を演算する。第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１は、式（５−１）〜（５−３）で表される。
Ｄｕ＝Ｄｕ１＿ｂ＋Ｓｆｔ ・・・（５−１）
Ｄｖ＝Ｄｖ１＿ｂ＋Ｓｆｔ ・・・（５−２）
Ｄｗ＝Ｄｗ１＿ｂ＋Ｓｆｔ ・・・（５−３）

本実施形態では、モータ１０の回転速度が小さいほど、切替周期を短くしている。これにより、素子間の発熱の偏りを低減することができる。なお、上シフトと下シフトとの切り替えに係るパラメータとして、例えば電流積算値を用いると、モータ１０の回転速度が小さい場合、電流積算値の上昇が遅く、切り替えに係る閾値に到達するのに時間を要し、素子間の発熱が偏る虞がある。上述の通り、本実施形態では、モータ１０の回転速度が小さいほど、切替周期を短くしているので、素子間の発熱の偏りが適切に抑制される。
また、モータ１０の回転速度が大きい場合、素子間の発熱の偏りは生じにくいので、切替周期を長くしている。これにより、上シフトと下シフトの切り替えに伴うトルクリップルを低減することができる。
本実施形態では、モータ１０の回転速度に基づいて、切替周期を可変としている。モータ１０の回転速度は、「モータの駆動に係る物理量の瞬時値」とみなすことができ、例えば、電流積算値等の積算値を用いる場合と比較し、積算に係る演算や積算値等の演算値を記憶しておくためのメモリ領域等を省略することができる。

以上詳述したように、本実施形態の電力変換装置１は、第１巻線組１１および第２巻線組１２を有するモータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ部２１と、第２インバータ部２２と、制御部４０と、を備える。
第１インバータ部２１は、第１巻線組１１の各相に対応して設けられる第１ＳＷ素子２１１〜２１６を有する。
第２インバータ部２２は、第２巻線組１２の各相に対応して設けられる第２ＳＷ素子２２１〜２２６を有する。

制御部４０は、第１巻線組１１に印加される電圧に係る第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、および、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２を演算するデューティ演算部４１５、４２５を有する。
ここで、第１巻線組１１に印加される第１中性点電圧Ｖｎ１が出力可能な中心値である出力中心値ＶＭより下側にシフトされ、第２巻線組１２に印加される第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭより上側にシフトされる期間を第１期間Ｐ１とする。
また、第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭより上側にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭより下側にシフトされる期間を第２期間とする。

デューティ演算部４１５、４２５は、所定の物理量に基づいて可変演算される切替期間Ｐｃが経過したとき、第１期間Ｐ１と第２期間Ｐ２とが切り替わるように、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１および第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２を演算する。

本実施形態では、第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭよりも下側にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭよりも上側にシフトされている状態と、第１中性点電圧Ｖｎ１が出力中心値ＶＭよりも上側にシフトされ、第２中性点電圧Ｖｎ２が出力中心値ＶＭよりも下側にシフトされている状態とを切替期間Ｐｃごとに切り替える。これにより、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６間の発熱の偏りを低減することができる。
また、所定の物理量に基づき、切替期間Ｐｃを可変としている。これにより、第１期間Ｐ１と第２期間Ｐ２との切り替えに伴う振動および音の発生を抑制することができる。

本実施形態では、所定の物理量は、モータ１０の回転速度である。詳細には、モータ１０の回転速度が小さいほど、切替周期が短くなるように切替期間Ｐｃが演算される。
これにより、モータ１０の回転速度が小さいときの素子間の発熱の偏りを低減可能である。また、モータ１０の回転速度が大きいときの切り替えに伴うトルクリップルを低減することができる。
本実施形態では、デューティ演算部４１５、４２５が「指令演算手段」に対応する。また、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１が「第１電圧指令値」に対応し、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２が「第２電圧指令値」に対応する。また、モータ１０の回転速度が「所定の物理量」に対応する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明している。
本実施形態では、第１指令演算部４１のデューティ演算部４１５は、電圧指令値Ｖｕ^*１、Ｖｖ^*１、Ｖｗ^*１を変調処理し、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１を演算する。また、第２指令演算部４２のデューティ演算部４２５は、電圧指令値Ｖｕ^*２、Ｖｖ^*２、Ｖｗ^*２を変調処理し、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２を演算する。

ここで、変調処理について説明する。
本実施形態では、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１のうち最も小さい値が出力可能な下限値ＤＬとなるように変調する処理を「下べた変調処理」とする。同様に、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２のうち最も小さい値が出力可能な下限値ＤＬとなるように変調する処理を「下べた変調処理」とする。下べた変調処理を行うことにより、中性点電圧Ｖｎ１、Ｖｎ２は、出力中心値ＶＭよりも下側にシフトされる。

また、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１のうち最も大きい値が出力可能な上限値ＤＨとなるように変調する処理を「上べた変調処理」とする。同様に、第２デューティ指令値Ｄｕ２、Ｄｖ２、Ｄｗ２のうち最も大きい値が出力可能な上限値ＤＨとなるように変調する処理を「上べた変調処理」とする。上べた変調処理を行うことにより、中性点電圧Ｖｎ１、Ｖｎ２は、出力中心よりも上側にシフトされる。すなわち、本実施形態では、上べた変調処理を行うことにより、中性点電圧Ｖｎ１、Ｖｎ２を出力中心値ＶＭよりも上側にシフトされる。
変調処理を行うことにより、電圧利用率を改善可能である。

本実施形態では、第１デューティ指令値Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１、または、第２デューティ指令値Ｄｕ２，Ｄｖ２、Ｄｗ２の一方を下べた変調し、他方を上べた変調する。これにより、第１中性点電圧Ｖｎ１または第２中性点電圧Ｖｎ２の一方が出力中心値ＶＭよりも下側にシフトされ、他方が出力中心値ＶＭよりも上側にシフトされる。
本実施形態では、上記実施形態と同様、モータ１０の回転速度に基づき、切替期間Ｐｃを可変にする。切替期間Ｐｃの演算方法は、上記実施形態と同様とする。本実施形態では、図６に示すように、モータ１０の回転速度が小さい場合の切替期間Ｐｃ１は、回転速度が大きい場合の切替期間Ｐｃ２よりも短い。すなわち、Ｐｃ１＜Ｐｃ２である。これにより、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図７に基づいて説明する。
第３実施形態〜第６実施形態は、切替期間Ｐｃの演算方法が異なり、その他の点については、上記実施形態と同様であり、第１実施形態のように変調処理を行わなくてもよいし、第２実施形態のように変調処理を行ってもよい。
本実施形態では、電流検出部２６、２７にて検出される電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２に基づき、切替期間Ｐｃを演算する。電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２が大きいほど、スイッチング素子２１１〜２１６、２２１〜２２６に通電される電流が大きい。そのため、図７に示すように、例えば、電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２の振幅が大きくなるほど、切替期間Ｐｃを短くする。また、電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２に替えて、巻線組１１、１２に流れる電流に係る値として、電流指令値や電流推定値に基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。演算に用いる電流検出値、電流指令値等は、いずれも３相の値としてもよいし、ｄｑ軸の値としてもよい。また、第１巻線組１１に流れる電流、または、第２巻線組１２に流れる電流の一方に係る値に基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。

本実施形態では、所定の物理量は、第１巻線組１１に流れる電流および第２巻線組１２に流れる電流の少なくとも一方である。これにより、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６における素子間の発熱の偏りを適切に低減することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図８に基づいて説明する。
本実施形態では、第１巻線組１１および第２巻線組１２に印加される電圧を検出し、電圧検出値に基づき、切替期間Ｐｃを演算する。電圧検出値は、例えば端子電圧検出値とする。第１巻線組１１および第２巻線組１２に印加される電圧が大きいほど、スイッチング素子２１１〜２１６、２２１〜２２６の発熱が大きくなる蓋然性が高い。そのため、図８に示すように、例えば、電圧検出値の振幅が大きくなるほど、切替期間Ｐｃを短くする。電圧検出値に替えて、電圧指令値に基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。電圧指令値は、デューティに換算した値であってもよい。また、演算に用いる電圧検出値または電圧指令値は、いずれも３相の値としてもよいし、ｄｑ軸の値としてもよい。また、第１巻線組１１に印加される電圧、または、第２巻線組１２に印加される電圧の一方に係る値に基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。

本実施形態では、所定の物理量は、第１巻線組１１に印加される電圧および第２巻線組１２に印加される電圧の少なくとも一方である。これにより、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６における素子間の発熱の偏りを適切に低減することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図９に基づいて説明する。
本実施形態では、モータ１０のトルクに基づき、切替期間Ｐｃを演算する。モータ１０のトルクは、例えば電流検出値または電流指令値に基づいて演算可能である。モータ１０のトルクが大きいほど、スイッチング素子２１１〜２１６、２２１〜２２６の発熱が大きくなる蓋然性が高い。そのため、図９に示すように、例えば、モータ１０のトルクが大きくなるほど、切替期間Ｐｃを短くする。また、モータ１０のトルクに替えて、トルクセンサ９４にて検出される操舵トルクに基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。

本実施形態では、所定の物理量は、モータ１０のトルクである。これにより、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６における素子間の発熱の偏りを適切に低減することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１０に基づいて説明する。
本実施形態では、インバータ部２１、２２の温度であるインバータ温度に基づき、切替期間Ｐｃを演算する。インバータ部２１、２２に図示しない温度センサを設け、当該温度センサの検出値に基づき、切替期間Ｐｃを演算してもよい。また、電流検出値または電流指令値に基づいて推定された温度推定値に基づき、切替期間Ｐｃを演算してもよい。図１０に示すように、インバータ部２１、２２の温度が高いほど、切替期間Ｐｃを短くする。また、第１インバータ部２１または第２インバータ部２２の一方の温度に基づいて切替期間Ｐｃを演算してもよい。

本実施形態では、所定の物理量は、第１インバータ部２１および第２インバータ部２２の少なくとも一方の温度である。これにより、第１インバータ部２１および第２インバータ部２２の温度に基づき、ＳＷ素子２１１〜２１６、２２１〜２２６における素子間の発熱の偏りをより適切に低減することができる。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１１に基づいて説明する。
本実施形態では、電力変換装置１は、車両に搭載される。すなわち、本実施形態では、車両が「回転電機が搭載されるシステム」に対応する。図１１（ｂ）に示すように、車両において、周波数によってゲインの大きさが異なる。本実施形態では、ゲインがピークとなる周波数を、共振周波数Ｘ、Ｙ、Ｚとする。また、電力変換装置１において、共振周波数Ｘ、Ｙ、Ｚと同様の周期で上シフトと下シフトとの切り替えを行うと、他の周期で入れ替えを行う場合と比較し、振動や音が大きくなる虞がある。

そこで本実施形態では、共振周波数Ｘ、Ｙ、Ｚの時間換算値である時間Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚを含む所定領域を共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚとし、図１１（ａ）に示すように、切替期間Ｐｃが共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚとならないように、切替期間Ｐｃを演算する。図１１では、モータ１０の回転速度に基づいて切替期間Ｐｃを演算する例を示したが、電流、電圧、トルク、または、インバータ部２１、２２の温度に基づいて切替期間Ｐｃを演算する場合についても、同様とすることができる。後述の第８実施形態についても同様である。
なお、図１１に示す例では、共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを３つとしているが、車両の共振周波数に応じ、いくつであってもよい。また、共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの幅についても、共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚごとに、適宜設定可能である。

本実施形態では、切替期間Ｐｃは、モータ１０が搭載される車両における共振周波数Ｘ、Ｙ、Ｚの時間換算値Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚを含む共振領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを回避して演算される。これにより、共振による振動や騒音の増大を抑制することができる。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態を図１２に基づいて説明する。
本実施形態では、切替期間Ｐｃが人の可聴域外となるようにすることで、人が聞き取れる騒音の発生を抑制する。具体的には、人の可聴域の下限周波数をＨｍｉｎ（例えば２０［Ｈｚ］）とし、切替期間Ｐｃを下限周波数Ｈｍｉｎの時間換算値（以下、単に「下限値」という。）Ｔｍｉｎ（例えば５０［ｍｓ］）以上とする。

すなわち、回転速度が閾値Ｓｔｈ未満の場合、切替期間Ｐｃを下限値Ｔｍｉｎとし、回転速度が閾値Ｓｔｈ以上の場合、回転速度が大きくなるほど、切替期間Ｐｃが長くなるようにする。これにより、切替期間Ｐｃは、下限値Ｔｍｉｎ以上となるので、上シフトと下シフトとの切り替えに伴う騒音の発生が抑制される。
なお、回転速度に替えて、電流、電圧、トルク、または、インバータ温度等を用いる場合、これらのパラメータが閾値以上の場合、切替期間Ｐｃを下限値Ｔｍｉｎとする。これにより、演算される切替期間Ｐｃは、下限値Ｔｍｉｎ以上となる。

本実施形態では、切替期間Ｐｃは、人の可聴域の周波数に対応する可聴領域を回避して演算される。これにより、第１期間Ｐ１と第２期間Ｐ２との切り替えに伴う騒音を抑制することができる。

（他の実施形態）
（ア）指令演算手段
上記実施形態では、デューティ演算部にて演算される第１デューティ指令値が「第１電圧指令値」に対応し、第２デューティ指令値が「第２電圧指令値」に対応する。他の実施形態では、デューティ換算前の電圧指令値をシフト処理し、シフト処理されたシフト後電圧指令値をデューティに変換してもよい。変調処理についても同様である。すなわち、デューティ換算前の電圧指令値を、第１電圧指令値および第２電圧指令値としてもよく、例えば第１実施形態の制御器４１３、４２３と、デューティ演算部４１５、４２５との間に、変調処理部やシフト処理部といった機能ブロックを設け、この変調処理部やシフト処理部等を「指令演算手段」と捉えてもよい。

上記実施形態では、デューティ演算部にて切替期間が演算される。他の実施形態では、デューティ演算部とは別の機能ブロックにて、切替期間を演算してもよい。また、上記実施形態では、回転速度、電流、電圧、トルク、または、温度に基づくマップ演算により切替期間が演算される。他の実施形態では、回転速度、電流、電圧、トルク、および、温度のうちの複数のパラメータを用いた多次元マップを用いて切替期間を演算してもよい。また他の実施形態では、切替期間は、マップ演算に限らず、演算式等を用いて演算してもよい。

（イ）電流検出素子
上記実施形態では、電流検出素子は、シャント抵抗であって、低電位側ＳＷ素子の低電位側に設けられる。他の実施形態では、電流検出素子は、シャント抵抗に限らず、例えばホールＩＣ等であってもよい。また、他の実施形態では、電流検出素子を、高電位側ＳＷ素子の高電位側、または、巻線組とインバータ部との間等、低電位側ＳＷ素子の低電位側以外の箇所に設けてもよい。

（エ）回転電機
上記実施形態では、回転電機は、３相のブラシレスモータである。他の実施形態では、多相回転電機は、３相に限らず、４相以上としてもよい。また、ブラシレスモータに限らず、どのようなモータとしてもよい。また、回転電機は、モータに限らず、発電機であってもよいし、電動機と発電機の機能を併せ持つ、所謂モータジェネレータであってもよい。
上記実施形態では、回転電機は、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、回転電機駆動装置を電動パワーステアリング装置以外の装置に適用してもよい。また、回転電機を車両以外のシステムに搭載してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１・・・電力変換装置
１０・・・モータ（回転電機）
２１・・・第１インバータ部
２２・・・第２インバータ部
４０・・・制御部
４１５、４２５・・・デューティ演算部（指令演算手段）

Claims (4)

1. 第１巻線組（１１）および第２巻線組（１２）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記第１巻線組の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１１〜２１６）を有する第１インバータ部（２１）と、
   前記第２巻線組の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（２２１〜２２６）を有する第２インバータ部（２２）と、
   前記第１巻線組に印加される電圧に係る第１電圧指令値、および、前記第２巻線組に印加される電圧に係る第２電圧指令値を演算する指令演算手段（４１５、４２５）を有する制御部（４０）と、
   を備え、
   前記第１巻線組に印加される第１中性点電圧が出力可能な中心値である出力中心値より下側にシフトされ、前記第２巻線組に印加される第２中性点電圧が前記出力中心値より上側にシフトされる期間を第１期間とし、前記第１中性点電圧が前記出力中心値より上側にシフトされ、前記第２中性点電圧が前記出力中心値より下側にシフトされる期間を第２期間とすると、
   前記指令演算手段は、前記回転電機の回転速度に基づいて可変演算される切替期間が経過したとき、前記第１期間と前記第２期間とが切り替わるように前記第１電圧指令値および前記第２電圧指令値を演算することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記切替期間は、前記回転速度が小さいほど短く、大きいほど長い請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記切替期間は、前記回転電機が搭載されるシステムにおける共振周波数の時間換算値を含む共振領域を回避して演算されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記切替期間は、人の可聴域の周波数に対応する可聴領域を回避して演算されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images